8502

Глава 4. Системы создания расчетных параметров воздуха

4.1. Расчет интенсивности естественной вентиляции животноводческих помещений

Варианты давлений, на которые рассчитывается естественная вентиляция (аэрация) [27]: гравитационное давление рt ; давление ветра рv ; совместное действие гравитационного и ветрового давлений ( р = рt + рv ). В условиях стационарного режима воздухообмена количество поступающего в помещение воздуха равно удаляемому Gпр = Gуд или Lпрρпр = Lудρв .

Аэрацию рассчитывают на действие только гравитационных сил, ес-

cн и cз – значения аэродинамических коэффициентов с наветренной и с заветренной сторон здания; H – вертикальное расстояние между центрами приточных и вытяжных отверстий, м; Δρ – разность плотностей воздуха

Животноводческие здания относятся, как правило, к третьему случаю, когда необходимо учитывать общие тепловыделения и скорость ветра.

При расчете аэрации животноводческих помещений принимаются следующие допущения: тепловой и воздушный режимы стационарны; средняя

60

температура внутреннего воздуха постоянна; изменение температуры внутреннего воздуха по вертикали линейное; расчетными принимают давления по оси проемов; все избыточное давление расходуется на создание кинетической энергии приточных и вытяжных струй и преодоления аэродинамических сопротивлений аэрационных проемов, шахт и потерь давления при движении воздуха в животноводческих помещениях, т.е.:

где ζпр, ζуд – коэффициенты местных сопротивлений приточного и вытяжного проемов; vпр, vуд – скорости приточного и удаляемого воздуха; ρн, ρв – плотности воздуха снаружи и внутри помещения.

В процессе индустриализации строительства производственных сельскохозяйственных зданий утеряны многие положительные теплофизические достоинства старых животноводческих зданий: малая вместимость помещений; ограниченная площадь остекления; саморегулирующаяся воздухопроницаемость и гигроскопичность наружных ограждений. Одной из задач наших исследований является выявление возможностей естественными средствами регулировать параметры микроклимата в типовых помещениях с практически непроницаемыми для воздуха ограждающими конструкциями.

4.1.1. Обоснование способов круглогодичной естественной вентиляции

А. Холодный период года Холодным периодом года будем считать период с температурой на-

ружного воздуха ниже условной температуры, начиная с которой биологических тепловыделений животных недостаточно для подогрева приточного воздуха (tн < tнр ). На рис. 3.3 этот период назван зоной искусственного подогрева воздуха. Отметим, что показанные на рис. 3.3 качественные закономерности графоаналитического комплексного решения теплофизических

61

задач теплового, влажностного и воздушного балансов, хотя и относятся к однотипным по объемно-планировочным решениям зданиям, не учитывают принципов организации воздухообменов и особенностей содержания животных (привязное, беспривязное, свободно выгульное и т.п.).

В наиболее распространенных в нашей стране типовых коровниках на 200 голов в климатической зоне с tн = –30 °С условная расчетная температура наружного воздуха лежит в пределах tнр = –14 – –16 °С. С учетом того, что расчетная температура наиболее холодного месяца (января) tн.я ≈ –12°С [64], этот период времени в течение года с tн < tнр не превышает 8 – 12 суток. В этот период температура внутреннего воздуха при расчетном воздухообмене Gн.min , определяемом по (2.10), может понизиться в помещении коровника до tв = 5 – 6 °С. Однако такое понижение величины внутренней температуры воздуха tв практически не приводит к снижению удоев (рис. 4.1, табл. 4.1) и не отражается на жизнедеятельности крупного рогатого скота. По данным [24] возможно содержание в помещениях без систем отопления коров массой 500 кг при tн = – 17,3 °С; массой 100 кг при tн = –19 °С. Аналогичные данные приводятся для конюшен [44]: в наиболее холодный период, когда тепловыделений животных недостаточно для возмещения теплопотерь, допускается уменьшать подачу приточного воздуха до объема, необходимого для поддержания минимально нормируемой внутренней температуры не поддерживая в этот период относительную влажность приточного воздуха.

В холодный период года допускается снижение удельных воздухообменов до 2,5 – 3,0 м3/(ч ц) и даже ниже [52]. В реальных условиях России по литературным данным и нашим собственным обследованиям коровников организованная естественная или механическая вентиляции отсутствуют полностью. Как отмечается в [16], даже полное отсутствие вентиляции практически не меняет газовый состав воздуха в коровниках. В то же

62

время даже при tнр < tн в коровниках наблюдается туманообразование (особенно вблизи регулярно открываемых ворот), конденсация водяных паров на внутренних поверхностях ограждений, льдообразование на окнах. Отметим, что некоторые исследователи допускают временную конденсацию водяных паров на внутренних поверхностях [77].

Рис. 4.1. Влияние температуры среды: 1 – на потребление кормов; 2 – на молочную продуктивность [82]

Т а б л и ц а 4.1

Влияние температуры окружающего воздуха на продуктивность молочных коров

В холодный период года допускается снижение удельных воздухообменов до 2,5 – 3,0 м3/(ч ц) и даже ниже [52]. В реальных условиях России по литературным данным и нашим собственным обследованиям коровников организованная естественная или механическая вентиляции отсутствуют полностью. Как отмечается в [16], даже полное отсутствие вентиляции практически не меняет газовый состав воздуха в коровниках. В то же время даже при tнр < tн в коровниках наблюдается туманообразование (особенно вблизи регулярно открываемых ворот), конденсация водяных паров на внутренних поверхностях ограждений, льдообразование на окнах. Отметим, что некоторые исследователи допускают временную конденсацию водяных паров на внутренних поверхностях [77].

Проведенный анализ обосновывает предположение, что даже в холодный период года при искусственном подогреве воздуха (tнр >tн) в животноводческие неотапливаемые помещения должно подаваться минимальное количество наружного воздуха за счет естественных источников. Гравитационные системы вентиляции должны быть закрыты, подача воздуха возможна за счет ветрового давления при строгом регулировании воздухораспределения в рабочей зоне помещения. Особенности аэродинамического расчета и конструирования систем естественной вентиляции за счет ветрового давления приведены ниже.

Б. Переходный период года Под переходным периодом года подразумеваются периоды года со

стороны осени или весны, когда температура наружного воздуха лежит в пределах от tнр до tнmax.е (на рис. 3.3 эти промежутки названы зоной естественной вентиляции). Температура tнmax.е соответствует допустимой температуре внутреннего воздуха tв, начиная с которой возможна активная аэрация помещений (открытые окна, ворота и т.п.) при привязном содержании животных. При свободновыгульном содержании температура tнmax.е соответствует времени начала выпаса животных.

64

Наибольшая нагрузка на системы естественной вентиляции наблюдается при удалении теплоизбытков в период, близкий к температурам tнmax.е

(точка Б на пересечении G ре и GQ на рис. 3.3). Естественный воздухообмен в помещении осуществляется при совместном действии гравитационной и горизонтальной систем. Методика расчета гравитационных систем вентиляции приведена ниже.

В. Теплый период года Теплым является период года с температурой наружного воздуха вы-

ше tнmax.е (рис. 3.3). В этот период в помещениях находятся только животные с привязным содержанием. Для снижения температуры воздуха в помещении используются все доступные способы естественной вентиляции: горизонтальная, шахтная, активная аэрация. Основная нагрузка ложится на системы активной организованной аэрации через открытые окна, ворота, технологические проемы.

Начиная с температуры наружного воздуха tн.е, необходимо использовать механическую вытяжную вентиляцию (при неорганизованной подаче приточного воздуха). Возможности естественной вентиляции в этот период полностью задействованы, но недостаточны для удаления из помещения избытков теплоты. В некоторых случаях при привязном содержании высокопродуктивных или элитных животных, особенно в южных районах страны, возможно искусственное охлаждение приточного воздуха.

4.1.2. Системы естественной горизонтальной вентиляции

Горизонтальная вентиляция животноводческих помещений за счет ветрового давления осуществляется двумя способами: через специальные щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проемы в продольных стенах помещений; за счет инфильтрации наружного воздуха через наружные стены. В последнем случае они становятся разновидностью сис-

тем вытесняющей приточно-вытяжной вентиляции.

65

Горизонтальная вентиляция через проемы в наружных стенах. Схема такой вентиляции приведена на рис. 4.2. Она состоит из щелевидных проемов, расположенных под окнами. Проемы заполняются каким-либо местным пористым материалом (соломой, сеном и т.п.).

Рис. 4.2. Схема системы горизонтальной вентиляции: 1 – щелевидные проемы

Аэродинамический расчет таких систем в полном объеме изложен в [24]. При расчете систем центры вентиляционных проемов, расположенных на одном уровне, принимаются за плоскости начальных отсчетов.

ние ветра. Аэродинамические коэффициенты для типовых животноводческих зданий для наветренной стороны равны сн = 0,6…0,8, для заветренной стороны сз = −0,4…−0,2 [24, 53].

Из уравнения баланса расходов воздуха после проведения математи-

Рассмотрим составляющие (4.8) применительно к животноводческим зданиям. Горизонтальная вентиляция применяется в холодный период года при tн ниже условной tнр (рис. 3.3). Поэтому расход воздуха G не должен быть более Gн.min, необходимого для удаления из помещения влаги. В периоды tн < tнр , особенно при аномально нерасчетном понижении температуры наружного воздуха, Gн.min → 0.

Количество и площадь каждой из приточных щелей с наветренной стороны и вытяжных щелей с заветренной стороны здания находятся, исходя из общей их площади (4.8), в зависимости от объемно-планировочных решений зданий, их ориентации по сторонам света, окружающего ландшафта и т.д.

При проектировании систем горизонтальной вентиляции пользуются графическими зависимостями, связывающими коэффициент расхода воздуха µ со степенью плотности набивки материала. На рис. 4.3 приведены значения коэффициента расхода µ при заполнении вентиляционных щелей соломой различной плотностью [22]. Пользуясь этим графиком, по коэффициенту расхода µ и требуемой по расходу воздуха скорости в проеме определяется степень его заполнения.

67

Рис. 4.3. Значения коэффициента расхода воздуха µ в проеме, заполненном соломой

Зависимость G ре в условиях горизонтальной вентиляции отличается от приведенной на рис. 3.3, т.к. определяется только кинетической энергией и направлением набегающего на вертикальное ограждение потоком воздуха (ориентацией по сторонам света). Обе эти величины переменны по времени.

Количественное определение полного давления с наветренной рн и заветренной рз сторон здания по аэродинамическим коэффициентам cн и сз необходимо проводить по средней скорости и повторяемости направления ветра за январь месяц, приводимых в [63]. За расчетную принимается наибольшая алгебраическая разность принятых аэродинамических коэффициентов (cн − cз ).

В строительных нормах скорость ветра дается на высоте 10 м. Стены животноводческих зданий подвергаются меньшим ветровым воздействиям. Например, если нормативная скорость ветра для Н. Новгорода на высоте 10 м лежит в пределах vв = 5,0 м/с, то на высоте 3,0 м, характерной для животноводческих зданий, она составляет 3,8 м/с, т.е. на 25 % ниже.

68

Горизонтальная вентиляция за счет инфильтрации наружного воздуха. Этот вид горизонтальной естественной вентиляции основан на физическом эффекте поровой инфильтрации через воздухопроницаемые наружные ограждения. Сокращение общих трансмиссионных теплопотерь типовых коровников составляет в среднем 23,1 %, конденсация влаги на внутренних поверхностях наблюдается при более низких температурах, чем при невоздухопроницаемых наружных ограждениях [16]. В то же время процесс поровой эксфильтрации внутреннего воздуха сопровождается процессами увеличения трансмиссионных потерь теплоты и увлажнением наружных ограждений.

Данное противоречие вызывает необходимость разработки вариантов включения наружных стен в режим устойчивой инфильтрации за счет относительно предсказуемого гравитационного давления рt и неустойчивого, случайного по величине, ветрового давления рv. Анализ проведем при расчетной скорости ветра vв (рис. 4.4).

Наименьший перепад давлений для инфильтрации воздуха возникает в верхней плоскости помещения рtI = h(ρн − ρв )g при наружном ветровом давлении рvз = cзvв2ρн / 2. Чтобы заветренная стена находилась в зоне устойчивой инфильтрации, необходимо суммарное избыточное давление в

дать с точкой Д. Такое перемещение за счет естественных источников возможно за счет увеличения гравитационного давления при установке вытяжной шахты высотой hш: